Aplicaciones del cultivo de microalgas en arquitectura sustentable

164 Pages·2015·5.08 MB·Spanish

Universidad ORT Uruguay

Facultad de Ingeniería

APLICACIONES DEL CULTIVO DE
MICROALGAS EN ARQUITECTURA
SUSTENTABLE

Entregado como requisito para la obtención del título de
Licenciada en Biotecnología

Verónica Braida - 174713
María Pía Campot - 165930
Eliana Nervi - 173413
Carolina Tartaglia - 172647

Tutor: Rodrigo Achigar

2015
Declaración de autoría

Nosotras, Verónica Braida, María Pía Campot, Eliana Nervi y Carolina Tartaglia, declaramos
que el trabajo que se presenta en esta obra es de nuestra propia mano. Podemos asegurar
que:

- La obra fue producida en su totalidad mientras realizábamos el trabajo final de carrera
de la Licenciatura en Biotecnología;
- Cuando hemos consultado el trabajo publicado por otros, lo hemos atribuido con
claridad;
- Cuando hemos citado obras de otros, hemos indicado las fuentes. Con excepción de
estas citas, la obra es enteramente nuestra;
- En la obra, hemos acusado recibo de las ayudas recibidas;
- Cuando la obra se basa en trabajo realizado conjuntamente con otros, hemos
explicado claramente qué fue contribuido por otros, y qué fue contribuido por nosotros;
- Ninguna parte de este trabajo ha sido publicada previamente a su entrega, excepto
donde se han realizado las aclaraciones correspondientes.

________________ ________________ ________________ ________________

Verónica Braida María Pía Campot Eliana Nervi Carolina Tartaglia

Montevideo, 13 de abril de 2015.

2
Dedicatoria

A nuestras mamás y a los papás de Eli y Caro.
3
Agradecimientos

En primer lugar nos gustaría agradecer a nuestro tutor, Rodrigo Achigar, por el apoyo, la
dedicación y la confianza. También por todo lo que nos enseñó y la paciencia que tuvo con
nosotras durante el último año. Con la personalidad que lo caracteriza, nos motivó y nos hizo
creer en nosotras mismas y en el proyecto hasta el último momento.

Por otro lado, queremos agradecer a todo el equipo del laboratorio por apoyarnos y contribuir al
proyecto desde el primer momento. Agradecemos especialmente al Toto, no solo por la
confianza, sino porque además de ser coordinador, hizo varias veces de padre con nosotras.

Tambíen nos gustaría agradecer a Carlos Galarraga y a todo el equipo del Laboratorio de
Diseño por su colaboración en el armado de los fotobioreactores.

Agradecemos a nuestras familias y novios, por al apoyo incondicional, el aguante y la
confianza. Porque a pesar de no entender nada acerca del proyecto, siempre creyeron en
nosotras y nos bancaron en situaciones de cansancio y estrés después de largas jornadas de
trabajo.

Y gracias a todos aquellos que no hemos nombrado pero que saben que ayudaron a que este
ambicioso proyecto se hiciera realidad.

4
Abstract

El término microalga incluye aquellos microorganismos, procariotas o eucariotas unicelulares,
capaces de realizar fotosíntesis. El interés científico y comercial en las microalgas se ha
incrementado en los últimos años, dado que constituyen una fuente sostenible de biomasa para
la producción de biocombustibles, abonos, alimento animal, etc. Además de su potencial uso
para el tratamiento de aguas residuales, junto con la fijación de CO .
2

En el presente proyecto se estudiaron diferentes aspectos de las microalgas como ser su
aislamiento, cultivo y posibles aplicaciones. Como resultado se generó una colección de 12
cepas de microalgas eucariotas de agua dulce aisladas de diferentes zonas del Uruguay. Se
evaluaron metodologías de aislamiento y cultivo en medio sólido y líquido, y se caracterizaron
morfológica y molecularmente.

Se construyó un sistema de cultivo de microalgas con el fin de ser incorporado en una escuela
autosustentable, para la producción de biofertilizante y la disminución de CO antropogénico en
2
la misma. Para esto se construyó y evaluó el prototipo del sistema a ser utilizado
(fotobiorreactor de placa plana) a escala laboratorio. Se determinó la productividad de
diferentes cepas de microalgas (Choricystis minor, Scenedesmus armatus, Monoraphidium sp.
y Raphidocelis subcapitata) en el reactor construido. La cepa de Choricysits minor presentó la
mayor velocidad específica de crecimiento (0,46 d-1), y el mayor valor de máxima productividad
volumétrica lo presentó Scenedesmus armatus (0,078 mg/mL.d).

Posteriormente, se diseñó y construyó el fotobiorreactor de placa plana a escala piloto a ser
instalado en la escuela. Se utilizaron como criterios de escalado las vvm (volumen de aire por
volumen de líquido por minuto) y la relación superficie/volumen, siendo 5,26 vvm y 0,43 cm-1
respectivamente.

Con el objetivo de evaluar algunas de las potenciales aplicaciones de la microalgas que
podrían ser aplicadas en futuros proyectos de arquitectura sustentable, se realizaron pruebas
de concepto referidas a la producción de biocombustibles y bioelectricidad. Se llevó a cabo la
extracción de lípidos de diferentes cepas de microalgas por vía húmeda, obteniéndose un
máximo de 70,25 ± 3,32% para una cepa de Scenedesmus armatus. En cuanto a la producción
de etanol a partir de microalgas, se determinó que el pretratamiento con ácido fue el más
efectivo, obteniéndose 3,51 g/L de etanol a partir de 1 g de biomasa húmeda de microalgas. En
los ensayos de bioelectricidad, se alcanzó una diferencia de potencial en el entorno de 800 mV
en la configuración de simple cámara en circuito abierto

5
Palabras clave

Microalgas, aislamiento, fotobiorreactor, escalado, energía.

6
Índice

1. Introducción ......................................................................................................... 12
1.1. ¿Qué son las microalgas? ............................................................................ 12
1.2. Taxonomía de algas ..................................................................................... 14
1.2.1. Algas procariotas ................................................................................... 14
1.2.2. Algas eucariotas .................................................................................... 14
1.2.2.1. Algas verdes ................................................................................... 15
1.2.2.2. Algas rojas ...................................................................................... 17
1.2.2.3. Algas marrones .............................................................................. 17
1.2.2.4. Algas doradas................................................................................. 17
1.3. Orígenes de las microalgas .......................................................................... 18
1.4. Fotosíntesis oxigénica eucariota ................................................................... 19
1.5. Estrategias nutricionales de las microalgas .................................................. 23
1.6. Ciclos de vida de microalgas ........................................................................ 24
1.7. Aplicaciones y usos de las microalgas .......................................................... 26
1.7.1. Biocombustibles .................................................................................... 28
1.7.1.1. Primera generación ........................................................................ 29
1.7.1.2. Segunda generación....................................................................... 29
1.7.1.3. Tercera generación ........................................................................ 29
1.7.1.4. Biodiesel ......................................................................................... 30
1.7.1.5. Bioetanol ........................................................................................ 34
1.7.2. Celdas de combustible microbianas ...................................................... 36
1.8. Aislamiento y caracterización de cepas de microalgas ................................. 38
1.9. Sistemas de cultivo de microalgas ................................................................ 39
1.9.1. Sistemas abiertos .................................................................................. 39
1.9.2. Fotobiorreactores .................................................................................. 39
1.9.2.1. Fotobiorreactores tubulares ............................................................ 39
1.9.2.2. Fotobiorreactores planos ................................................................ 40
1.10. Parámetros para crecimiento de las microalgas ........................................ 40
1.10.1. Iluminación ......................................................................................... 41
1.10.2. Carbono ............................................................................................. 41
1.10.3. pH ...................................................................................................... 42
1.10.4. Temperatura ...................................................................................... 42
1.10.5. Salinidad ............................................................................................ 42
1.10.6. Oxígeno ............................................................................................. 43
7
1.10.7. Agitación ............................................................................................ 43
1.10.8. Concentración celular ........................................................................ 43
1.11. Sistemas de escalado ............................................................................... 44
1.12. “Una escuela sustentable” ......................................................................... 45
2. Objetivos.............................................................................................................. 47
2.1. Objetivos específicos .................................................................................... 47
3. Metodología ......................................................................................................... 48
3.1. Equipos y medios de cultivo ......................................................................... 48
3.1.1. Equipos ................................................................................................. 48
3.1.2. Medios de cultivo ................................................................................... 48
3.2. Generación del banco de microalgas ............................................................ 51
3.2.1. Recolección de muestras....................................................................... 51
3.2.2. Armado de biorreactores a escala matraz ............................................. 51
3.2.3. Cultivos de enriquecimiento ................................................................... 51
3.2.4. Aislamiento ............................................................................................ 52
3.2.4.1. Prueba de condiciones para aislamiento en medio sólido ............... 52
3.2.4.2. Aislamiento en medio sólido (34) .................................................... 52
3.2.4.3. Ensayos de metodologías de crecimiento del cultivo en medio líquido ...
........................................................................................................... 52
3.2.4.4. Aislamiento en medio líquido .......................................................... 53
3.2.4.5. Aislamiento en medio semisólido .................................................... 53
3.2.5. Escalado del cultivo ............................................................................... 53
3.2.6. Caracterización morfológica .................................................................. 53
3.2.7. Caracterización molecular ..................................................................... 54
3.2.7.1. Extracción de ADN genómico de microalgas .................................. 55
3.2.7.2. Puesta a punto de metodología de reacción en cadena de la
polimerasa (PCR Polimerase Chain Reaction) ..................................... 56
3.2.7.3. Amplificación por PCR del gen codificante para la subunidad 18S de
ARN ribosomal ..................................................................................... 57
3.2.7.4. Secuenciación ................................................................................ 58
3.2.8. Criopreservación ................................................................................... 58
3.2.9. Ensayos de descongelado ..................................................................... 59
3.3. Ensayos en un fotobiorreactor de placa plana a escala de laboratorio.......... 59
3.3.1. Protocolo de esterilización de los reactores. .......................................... 59
3.3.2. Condiciones de cultivo. .......................................................................... 60
3.3.3. Inoculación de los reactores .................................................................. 60
8
3.3.4. Curvas de confianza para las medidas de absorbancia ......................... 60
3.3.5. Seguimiento de los cultivos ................................................................... 60
3.3.6. Curvas de absorbancia en función de peso seco para las cepas
ensayadas ............................................................................................. 61
3.3.7. Parámetros cinéticos ............................................................................. 61
3.3.8. Cosecha ................................................................................................ 61
3.4. Ensayos de un fotobiorreactor de placa plana a escala piloto ....................... 62
3.4.1. Parámetros de escalado del fotobiorreactor de placa plana a escala piloto
.............................................................................................................. 62
3.4.2. Ensayo de medios a escala matraz ....................................................... 62
3.5. Aplicaciones de las microalgas en bioenergía .............................................. 62
3.5.1. Curvas peso húmedo vs seco ................................................................ 62
3.5.2. Extracción de lípidos por vía húmeda mediante hidrólisis ácido-base .... 63
3.5.3. Análisis de lípidos por cromatografía en capa fina (TLC) ....................... 65
3.5.4. Pretratamientos de la biomasa de microalgas para la producción de
bioetanol ................................................................................................ 66
3.5.5. Pruebas de concepto referidas a la generación de bioelectricidad ......... 66
3.5.5.1. Diseño y construcción de celdas de combustible microbianas ........ 66
4. Resultados obtenidos .......................................................................................... 69
4.1. Generación del banco de microalgas ............................................................ 69
4.1.1. Recolección de muestras....................................................................... 69
4.1.2. Enriquecimiento ..................................................................................... 71
4.1.3. Pruebas de condiciones para aislamiento en medio sólido .................... 73
4.1.4. Aislamiento en medio sólido .................................................................. 75
4.1.5. Ensayos de metodologías de crecimiento del cultivo en medio líquido .. 77
4.1.6. Aislamiento en medio líquido ................................................................. 78
4.1.7. Aislamiento en medio semisólido ........................................................... 78
4.1.8. Escalado del cultivo ............................................................................... 79
4.1.9. Caracterización morfológica .................................................................. 80
4.1.10. Caracterización molecular .................................................................. 82
4.1.10.1. Extracción ADN genómico de microalgas ....................................... 82
4.1.10.2. Puesta a punto de metodología de PCR (Polimerase Chain
Reaction) ........................................................................................ 83
4.1.10.3. Amplificación por PCR de ADN de microalgas................................ 83
4.1.10.4. Secuenciación y análisis bioinformático de secuencias .................. 87
4.1.11. Criopreservación y ensayos de descongelado ................................... 89
9
4.2. Diseño y construcción de un fotobiorreactor de placa plana a escala de
laboratorio ....................................................................................................... 90
4.2.1. Construcción de un fotobiorreactor de placa plana a escala de laboratorio
.............................................................................................................. 90
4.2.2. Esterilización de los reactores ............................................................... 92
4.2.3. Curvas de confianza para el seguimiento de los cultivos ....................... 94
4.2.4. Curvas de productividad y seguimiento de pH ....................................... 96
4.2.4.1. Choricystis minor ............................................................................ 97
4.2.4.2. Scenedesmus armatus ................................................................... 98
4.2.4.3. Monoraphidium sp. ......................................................................... 99
4.2.4.4. Raphidocelis subcapitata .............................................................. 100
4.2.4.5. Evaluación de los ensayos de productividad ................................ 101
4.2.5. Cosecha .............................................................................................. 102
4.2.6. Rediseño del reactor construido .......................................................... 102
4.3. Diseño y construcción de un fotobiorreactor de placa plana a escala piloto 103
4.3.1. Criterios de escalado del fotobiorreactor de placa plana de escala
laboratorio a escala piloto .................................................................... 103
4.3.2. Diseño y construcción del fotobiorreactor de placa plana escala piloto 105
4.3.3. Ensayo de medios en escala matraz ................................................... 108
4.3.4. Pruebas de estanqueidad y funcionamiento de los componentes del
fotobiorreactor ..................................................................................... 110
4.4. Aplicaciones de las microalgas en bioenergía ............................................ 111
4.4.1. Extracción de lípidos ............................................................................ 111
4.4.1.1. Curvas peso húmedo vs peso seco ................................................. 112
4.4.1.2. Extracción de lípidos por vía húmeda mediante hidrólisis ácido-base ....
......................................................................................................... 114
4.4.1.3. Análisis de lípidos por cromatografía en capa fina (TLC) ................. 117
4.4.2. Producción de bioetanol a partir de la biomasa de microalgas ............ 119
4.4.3. Diseño y construcción de celdas de combustible microbianas ............. 122
4.4.3.1. Celdas de una cámara .................................................................. 122
4.4.3.2. Celdas de dos cámaras ................................................................ 125
5. Discusión ........................................................................................................... 127
5.1. Acciones correctivas ................................................................................... 127
5.2. Acciones futuras ......................................................................................... 128
5.2.1. Protocolos de sanitización, inoculación, seguimiento y cosecha del
fotobiorreactor de placa plana a escala piloto en el laboratorio ............ 128
5.2.1.1. Sanitización .................................................................................. 128
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